CN101943719B - 一种同频异步核相方法 - Google Patents

Abstract

一种同频异步核相方法，属测量领域。其借助市电网络产生一个同步基准相位信号作为第三方参考量，在不同时刻依次对系统电源各相和待核电源各对应相之间的电压相位信号分别进行采集，将所测电压相位信号与此刻的第三方参考量进行相位比较，得到电压相位差值，再将系统电源各相和待核电源各对应相之间的电压相位差值进行比较，得到比较相位差，根据比较相位差的数值范围，来判断系统电源各相和待核电源的各对应相之间是否属于同相，进而得出系统电源和待核电源是否“同相”的结论。其采用异步核相的方法，可对相同或不同电压等级之间的系统进行核相，可测试供电回路是否存在“缺相”等故障，能进行异地核相，拓展了常规核相试验的应用领域。

Description

一种同频异步核相方法

技术领域

本发明属于电磁变量的测量领域，尤其涉及一种用于测量两个交流电源的电压之间的相位角的测量方法。

背景技术

相序，就是相位的顺序，是交流电的瞬时值从负值向正值变化经过零值的依次顺序。

“核相”试验是核对两路电源之间三相电源相位/相序的测试试验，是电力系统的基础实验之一。

若相位或相序不同的交流电源“并列”或“合环”，将产生很大的电流，巨大的电流(俗称“环流”)会造成电气设备的损坏。

所以，对于新建、改建、扩建后的变电所和输电线路，以及在线路检修完毕、向用户送电前，都必须进行三相电路的“核相”试验，以确保输电线路相序与用户三相负载所需求的相序一致，其是确保输变电工程竣工后，安全顺利投运的重要条件之一。

可见，“核相”是针对二路(业内通常习惯性地称为“系统电源”和“待核电源”来加以区分)电源而言的；当二路电源需要向同一个用电设备供电时，在投入时，要在并列点进行“核相”，如电力系统操作中常说的“一线送两变”的情况。当二路电源需要并列运行倒闸操作时，如不“核相”，若安装接线错误，可能出现相序(相位)不一致，将引起相间短路事故，严重危害到电网的安全运行。当二路电源需要停电倒闸操作时，如不“核相”，可能由于相序不一致，引起三相设备的非正常运行，如电机的反转、变压器有载分接开关(亦称有载调压开关)操作电源开关的跳闸、电能计量的损失等。

因此，在第二路电源投入时，一定要与第一路电源进行“核相”试验。

当前在电力系统中低压配电网中，广泛应用的有两种“核相”方式：有线核相方式和无线核相方式。

关于有线“核相”方式的原理和具体操作步骤，在发表于1998年第8期《农村电气化》杂志第11～12页，作者为何连兵，标题为“实用的电力系统核相方法”一文中已经有较详细的叙述；至于该核相方法的具体装置构成和连接关系，在公告日为1994年6月22日，公告号为CN 2169859Y的实用新型专利“高低压相位测定器”以及公告日为2009年10月14日，公告号为CN201327513Y的实用新型专利“通用型电子核相器”中均公开了最基本的、能完成核相功能的核相测量装置和其各部件之间的连接关系，可供参考。

关于无线“核相”方式的具体技术方案和装置构成，在公告日为2007年12月12日，公告号为CN 200989926C的中国实用新型专利“一种无线数字式核相系统”、公开日为2007年2月14日，公开号为CN 1913561A的中国发明专利申请“远程数字核相系统”以及公开日为2009年9月16日，公开号为CN 101533050A的中国发明专利申请“无线高压数字核相仪”中均有较详细的公开；在公开日为2010年7月28日，公开号为CN 101788614A的中国发明专利申请中，还公开了一种“高低压综合相序相位仪及其检测方法”，其在进行低压定核相时，采用电阻直接分压原理实现，而在进行高压定核相时，取样采用感应原理；其根据高低压场合进行测量的转换，使得一台设备既可实现低压有源线路单电源线路的相序和双电源线路的相位判断，也可实现高压有源线路下的单电源线路相序和双电源线路的相位判断。

通过对上述资料的分析可以发现，现有的传统“核相”试验方法存在如下不足：

1、两个电源(即系统电源和待核电源，或称之为第一电源和第二电源)必须是同一电网同一电压等级下的不同拓扑点；

2、核相所需的两电源信号必须是同时(即在同一时刻)采集，即俗称的“同步采集”或“同步核相”；

3、参与一个“核相”试验的人员很多，人工成本很大；

4、整个测试工作步骤很多，花费时间长，影响整个供电系统的有效供电时间；

5、核相操作有一定的危险性，特别是有线核相方式，必须考虑人员的配合协调问题；

6、两个电源点之间不能相距太远，据实际操作经验表明，一般两核相棒的距离不宜超过10米。对于无线核相方式，其地面接收器与两个发射器(即核相棒所在的位置)之间的距离不宜超过15米。

从上述分析中可以看到，现有的传统“核相”方式有很多有待改进的地方。

例如，如何在考虑减少核相人员的同时，不增加或者甚至减轻核相人员的工作量，又能保证核相试验的顺利完成？传统的高压系统核相方法，至少要两档/组以上的试验人员才能完成，而且只能针对同一电压等级的电源设备，在应用范围上有诸多限制。

如果通过技术手段，既可以对相同电压等级的设备进行核相，又能对不同电压等级间的设备或系统进行核相，这就突破了以往的惯性思维，使得“核相”试验变得极为简单可靠，核相试验范围也更加广泛。若整个“核相”工作只需要两个试验人员，就可检测从高压系统到低压系统、从一次系统设备到二次系统设备、整个回路电源的相位和相序，无任何死区，核相所用时间很短，减少了实际送电过程的总工作时间。若真能做到这点，将是电力系统电压“核相”技术上的一次重大改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种同频异步核相方法，其通过采集市电网络的电压相位来引入一个同步基准相位信号作为第三方参考量，采用异步核相的方法，在不同时刻先后对系统电源和待核电源的相位信号分别进行采集、A/D转换、寄存和比较，得到需要的测量结果，其既可以对相同电压等级的设备进行核相，又能对不同电压等级间的设备或系统进行核相，还可以测试待测供电回路是否存在“缺相”等故障，能在无线通讯有效的范围内进行异地核相，拓展了常规核相试验的应用领域。

本发明的技术方案是：提供一种同频异步核相方法，包括对系统电源和待核电源各对应相的相位信号进行采集、A/D转换、寄存和比较，得到所需的测量结果，其特征是：

A、按照设备安装位置或预定测试顺序，对系统电源确定第一至第三相，对待核电源依次设定对应的第一至第三拟同名相；

B、实时自动采集市电网络的电压相位信号，对其进行信号过零比较，将比较结果方波化并持续输出，作为独立的第三方同步基准相位方波信号；

C、在第一时刻T₁，测试系统电源第一相的电压相位信号，并将其转变为方波形式信号；

D、取此时的同步基准相位方波信号为第一同步基准相位方波信号，将系统电源第一相的电压相位方波信号与第一同步基准相位方波信号进行比较，得到第一相位差值

将第一相位差值

置于第一寄存器中；

E、在第二时刻T₂，测试待核电源第一拟同名相的电压相位信号，并将其转变为方波形式信号；

F、取此时的同步基准相位方波信号为第二同步基准相位方波信号，将待核电源第一拟同名相的电压相位方波信号与第二同步基准相位方波信号进行比较，得到第二相位差值

将第二相位差值

置于第二寄存器中；

G、对寄存器中的第一相位差值

和第二相位差值

的相位进行比较，得到比较相位差

H、若比较相位差

则判断系统电源的第一相和待核电源中第一拟同名相的电压相位相同，即两者之间的电压相位为同相；

I、若比较相位差

在110°～130°之间，则判断系统电源第一相的电压相位超前于待核电源中第一拟同名相的电压相位；

J、若比较相位差

在230°～250°之间，则判断系统电源第一相的电压相位滞后于待核电源中第一拟同名相的电压相位；

K、若出现超出上述范围的其他比较相角差值，作为测试异常处理；

L、重复上述第C至J步骤，对系统电源和待核电源其余各对应相分别作相位测试，根据所得到的比较相位差的数值范围，分别得到系统电源各相与待核电源各对应拟同名相之间的电压相位是“同相”、“超前”或“滞后”的对应测试结果；

M、若系统电源各相与所对应待核电源的各拟同名相之间的测试结果均为“同相”，则得出系统电源和待核电源“同相”的结论；

N、通过“借助市电网络产生一个同步基准相位方波信号作为第三方参考量，在不同时刻依次对系统电源各相和待核电源各对应相之间的电压相位信号分别进行采集、A/D转换，将所测得的电压相位信号与当时的第三方参考量进行相位比较，得到电压相位差值，再将系统电源各相和待核电源各对应相之间的电压相位差值进行比较，得到比较相位差”的方法，根据所述系统电源和待核电源对应相之间比较相位差的数值范围，来判断系统电源各相和待核电源的各对应相之间是否属于同相，进而得出系统电源和待核电源是否“同相”的结论。

其中，所述市电网络、系统电源或待核电源的电压相位信号，通过RLC谐振电路转变为方波形式信号。

所述系统电源或待核电源各相的电压相位信号，通过电磁感应的方式获得。

进一步的，所述的同步基准相位方波信号通过同步基准信号发生器获得；所述的同步基准信号发生器至少包括电源输入及电压相位信号采集处理电路、信号过零比较、计数器、脉冲信号调制、无线信号发送模块、发射天线和电源模块；所述的同步基准信号发生器实时采集市电网络的电压相位信号，对其进行信号过零比较，将比较结果方波化并采用发射无线信号的形式进行持续输出，作为同步基准相位方波信号。

进一步的，所述系统电源或待核电源各相的电压相位信号，通过智能核相笔获得；所述的智能核相笔具有一个绝缘的柱状外壳，其柱状外壳前端可滑动地设置有一个导电的尖端/电极，其柱状外壳的后端，通过螺纹连接方式与绝缘杆、验电笔或令克棒的前端固定连接；所述的智能核相笔至少包括电压耦合电路、电压限幅及过零点比较电路、同步基准电压相位信号接收模块、同步相位解调电路、相位信号比较电路、相位差寄存电路、相位信号比较/输出电路、驱动电路和报警信号输出电路。

进一步的，所述智能核相笔的尖端/电极可滑动地设置在智能核相笔上，在所述智能核相笔的尖端/电极下方设置一压电传感器模块或微动开关，所述压电传感器模块或微动开关的一对常开接点串接在智能核相笔电压耦合电路的信号输出端，当所述智能核相笔的尖端/电极与某一相电源/线路电导体接触时，在压力作用下，所述压电传感器模块或微动开关的常开接点接通，电压耦合电路有信号输出。

具体的，所述的智能核相笔在第一时刻与系统电源某一相电源/线路进行接触，根据电磁感应原理在其尖端/电极上耦合出系统电源某一相的电压相位电磁信号，并在电感线圈上感应出电动势，用RLC谐振原理，将系统相工频电压相位信号转变为方波信号，并与此刻从同步基准发生器所接收到的第一同步基准相位方波信号进行相位比较，将比较所获得的第一相位差值

送入第一寄存器中储存。

所述的智能核相笔在第二时刻与待核电源的某一相电源/线路接触，根据电磁感应原理在其尖端/电极上耦合出待核电源该相的电压相位电磁信号，并在电感线圈上感应出电动势，用RLC谐振原理，将感应到的电磁信号变换成方波信号，并与此刻从同步基准发生器所接收到的第二同步基准相位方波信号进行相位比较，将比较所获得的第二相位差值送入第二寄存器中储存；

所述智能核相笔的相位信号比较/输出电路中的微处理器，对第一、第二寄存器中的第一、第二位差值和的相位进行比较，得到比较相位差

所述的智能核相笔根据比较相位差

的数值范围，确定系统电源某一相与待核电源的某一相之间的电压相位关系是“同相”、“超前”或“滞后”；并输出相应的控制信号；

所述智能核相笔中的驱动模块，根据相位信号比较/输出电路中输出的相应控制信号，驱动语音电路和/或LED发光电路，发出“同相”、“滞后”、“超前”、“无电”、“异常”等声、光信号。

更进一步的，所述智能核相笔尖端/电极与某一相电源/线路电导体接触的时间长度以100～150个工频周波为宜。

或者，所述智能核相笔尖端/电极与某一相电源/线路电导体接触的时间不少于2～3秒。

更进一步的，所述的市电网络为220V的民用电供电网络。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.采用市电网络获取一个独立的第三方同步基准相位方波信号，将系统电源或待核电源的电压相位方波信号与当时的同步基准相位方波信号进行相位比较，且信号采集只取相位，不取幅值，实现了异步核相以及跨电压等级进行核相；

2.将相位差信号作为实际的输入比对信号，这样就有效消除了系统频率波动造成的相位偏移现象；

3.同步基准相位信号发生器采用市电网络作为信号源，无需单独设置标准方波发生装置，且大大方便了同步基准相位信号发生器的电源获取，简化了同步基准相位信号发生器的电路结构；

4.智能核相笔的安装结构与验电笔相似，可直接装于验电棒上进行核相，使用、保管均十分方便；

5.采用本技术方案，可以测试不同电压或相同电压等级设备的相别和相序，还可以测试某一三相电源回路是否“缺相”等故障，大大扩展了核相工作的应用范围；

6.由智能核相笔输出测试的比较/判断结果，大大简化了测试过程，减少了工作人员主观人为因素对测试结果带来的影响，减轻了测试工作人员的工作量，对操作人员没有过高的素质要求，操作简便安全可靠，可有效少支出人力成本，明显增加供电系统的有效供电时间，提高变电站的经济效益。

附图说明

图1a是现有技术中有线核相方法示意图；

图1b是现有技术中无线核相方法示意图；

图2是本发明的核相测量方法示意方框图；

图3是本发明市电同步基准相位信号发生器的工作原理框图；

图4是本发明对系统电压相位采集过程的原理框图；

图5是本发明对待核电压相位采集过程的原理框图；

图6是本发明智能核相笔的逻辑判断和信号输出原理框图；

图7是参考电源和待核电源间的相位比较波形示意图；

图8是本发明同频异步核相方式下的方波示意图；

图9为智能核相笔的结构示意图。

图中1为发射器，2为接收器，3-1和3-2为绝缘杆，A为系统电源，B’为待核电源，9-1为柱状外壳，9-2为屏蔽层，9-3为导电尖端，9-4为电源开关，9-5为内装电路线路板，9-6为螺纹连接杆，9-7为喇叭，9-8为内装电池，9-9为信号灯。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1a中，通常所说的“核相”，就是用一个基准的系统的相序(通常称为系统电源，图中以A、B、C表示)去核对一个待并系统的相序，(通常称为待核电源，图中以A′、B′、C′表示)。

这里所说的“核相”，包括核对一个电源的相序和/或核对两个电源各对应相之间的相位。

本图以线路核相为例，线路核相一般是指线路的两侧实际在同一个电力系统，例如环形线路的唯一一个断开点，一般是在线路检修以后(尤其是拆装电缆、线路)或是新建线路第一次投运前进行核相。

按照电路原理，这个断开点的同一对应相之间的电压差为零，也就是说，这个断开点(隔离开关、断路器)同相(图中以A-A’为例)的触头间是没有电压的，则图中电流Ig理论上应该为零或接近于零，知道这个原理，就比较简单了，核相就转变为电压的测量。

对于10KV以上系统进行“核相”的方法通常有直接核相和间接核相两种测量方法，也称“一次核相”和“二次核相”。

其“一次核相”是指直接在一次回路/线路设备(通常是指变压器或高压母线)上采集“核相”所需的测量信号；同理，“二次核相”指直接在二次回路/线路设备(通常是指电压互感器PT的二次侧)上采集“核相”所需的测量信号，以此来间接反映一次线路的相位/相序。

传统的“一次核相”目前仍广泛采用核相仪器+核相棒的有线核相方式来完成。

对于高压系统，最简单的“核相”方式，就是将其两个测量端分别接在触头间测量，通过各自导线取相同幅值的电压，通过各核相棒最上一级电阻级分压后获得相同电压幅值的电压，然后通过导线分别引至合适量程的电压表，然后相互比较，电压表上无明显电压输出的，可判为同相，否则为非同相。其原理，与用万用表核对380V及以下两电源间相位相仿。

至于二次核相，一般需要将断开点切换到有两侧压变的位置，但是由于二次接线一般无法像一次接线一样容易用肉眼观察，实际可能存在一次、二次同时错误，负负得正，所以需要首先确定二次回路的正确性，一般就是通过改变运行方式，使两侧压变都由同一电源供电，然后测量二次侧压差(类似低压的一次核相)，确定二次接线和一次回路一致，然后再调整运行方式，使两侧压变由不同一电源端供电，测量差压。所以实际是先通过一次检查二次，然后才是二次核一次，当然，如果二次回路能确定没有问题(例如正常运行的设备)就可以直接进行二次核相了。

采用有线核相方式在核相时，需要4人进行，一人担任指挥，两人穿绝缘靴、戴绝缘手套担任核相员，一人仪表记录。

核相工作根据指挥人员的命令进行，核相员将高压引线固定在核相棒上，用核相棒引高压线接触高压电源点时，两人需动作协调，配合默契，以免出差错，发生危险。

采用有线方式，拖线很长使用时很不方便。

图1b中，无线核相方式与图1a所述的有线核相方式相比，去掉了连接两个电网(电源)两端的引线，通过两个装置的发射和接收模块，将探测到的信号进行相位比较，得出核相结论。整个操作过程至少需一人操作一人监护。

实际测量操作时，将发射器1和接收器2分别连接绝缘杆3-1和3-2，将发射器1和接收器2挂到高压相线上。发射器1将电源A的信号采集后发送到接收器2处，接收器2将所接收到的发射器1的相位信号和本身从电源B’采集到的信号，进行比较后，得出核相结论，并通过声光信号输出测量结果。

还有一种无线核相装置，专门有一接收装置置于地面，随后对发射器1′和发射器2′所采集的信号接收后，通过接收器内的窗口比较器进行比较。如果被测的两个电网的相位相同，语言重复提示：“相位相同”，如果被测的两个电网的相位不同，语言重复提示：“注意，相位不同”。

至于PT侧二次核相或0.4KV以下交流电核相，一般应用万用表进行，基本测量原理同上，在此不再重复。

图2中，本发明的技术方案中，提供了一种全新的同频异步核相方法，其核相测量方法至少包括下列步骤：

A、按照设备安装位置或预定测试顺序，对系统电源确定第一至第三相，对待核电源依次设定对应的第一至第三拟同名相；

B、实时/自动采集市电网络的电压相位信号，对其进行信号过零比较，将比较结果方波化并持续输出，作为独立的第三方同步基准相位方波信号；

C、在第一时刻T₁，测试系统电源第一相的电压相位信号，并将其转变为方波形式信号；

D、取此时的同步基准相位方波信号为第一同步基准相位方波信号，将系统电源第一相的电压相位方波信号与第一同步基准相位方波信号进行比较，得到第一相位差值

将第一相位差值

置于第一寄存器中；

E、在第二时刻T₂，测试待核电源第一拟同名相的电压相位信号，并将其转变为方波形式信号；

F、取此时的同步基准相位方波信号为第二同步基准相位方波信号，将待核电源第一拟同名相的电压相位方波信号与第二同步基准相位方波信号进行比较，得到第二相位差值

将第二相位差值

置于第二寄存器中；

G、对寄存器中的第一相位差值

和第二相位差值

的相位进行比较，得到比较相位差

H、若比较相位差则判断系统电源的第一相和待核电源中第一拟同名相的电压相位相同，即两者之间的电压相位为同相；

I、若比较相位差

在110°～130°之间，则判断系统电源第一相的电压相位超前于待核电源中第一拟同名相的电压相位；

J、若比较相位差

在230°～250°之间，则判断系统电源第一相的电压相位滞后于待核电源中第一拟同名相的电压相位；

K、若出现超出上述范围的其他比较相角差值，作为测试异常处理；

L、重复上述第C至J步骤，对系统电源和待核电源其余各对应相分别作相位测试，根据所得到的比较相位差的数值范围，分别得到系统电源各相与待核电源各对应拟同名相之间的电压相位是“同相”、“超前”或“滞后”的对应测试结果；

M、若系统电源各相与所对应待核电源的各拟同名相之间的测试结果均为“同相”，则得出系统电源和待核电源“同相”的结论；

N、通过“借助市电网络产生一个同步基准相位方波信号作为第三方参考量，在不同时刻依次对系统电源各相和待核电源各对应相之间的电压相位信号分别进行采集、A/D转换，将所测得的电压相位信号与当时的第三方参考量进行相位比较，得到电压相位差值，再将系统电源各相和待核电源各对应相之间的电压相位差值进行比较，得到比较相位差”的方法，根据所述系统电源和待核电源对应相之间比较相位差的数值范围，来判断系统电源各相和待核电源的各对应相之间是否属于同相，进而得出系统电源和待核电源是否“同相”的结论。

上述市电网络、系统电源或待核电源的电压相位信号，通过RLC有源谐振电路转变为方波形式信号(即通常所称的方波信号)。

上述系统电源或待核电源各相的电压相位信号，通过电磁感应的方式获得。

前述的同步基准相位方波信号，通过同步基准信号发生器获得。

前述系统电源或待核电源各相的电压相位信号，通过智能核相笔获得。

关于同步基准信号发生器和智能核相笔的相关内容，参见本说明书附图3～6和附图9及其相关说明。

从前述背景技术中可知，现有的传统核相试验方法最关键的问题在于：

(1)电源必须是同一电网同一电压等级下的不同拓扑点；

(2)核相所需的两电源信号必须同时采集。

由于操作场所/设备位置所致，如果要达到对不同电压等级的电源间进行核相，最关键的一步，必须将同步核相改成异步核相。

也就是说，需要用同一个核相装置，按前后时间/步骤，分别先后对两个电源的相位信号进行采集、A/D转换、寄存和比较。这样，从理论上讲，在采集电源信号时，就完全可以忽略电源的幅值，仅仅采集两个电源的相位信号，就可满足核相需要。

那么具体如何实现上述构思？通过进一步分析，可发现一个事实，同一电网具有“单一频率”的特性，即在同一电网下，任何一点，或者说，在任意两个测量点之间，其频率在任意时刻都是完全一致的。简单地说，就是“同网同频”；换句话讲，电力系统在稳定运行时，其频率在同一电网中的任意角落，应当是相同的，即全网同频特性；这就为“异步核相”的思路提供了有力的依据。

传统的有线或无线核相技术，就是运用上述原理，在同一时刻，测得同一电压等级下的两电源某点相位信号，然后实时进行比较，获得核相数据。

如果将以前的核相方法称为“同步核相”方法的话，那么本技术方案的核相技术可定义为：在同网同频的前提条件下，对不同(或相同)电压等级的电源间可异步进行核相的技术，是一种广义的核相技术，也称为“同频异步核相”技术。

在本技术方案中，采用通过市电网络获取/引入一个独立的第三方同步基准相位方波信号的方法，将系统电源或待核电源的电压相位方波信号与当时的同步基准相位方波信号进行相位比较，且信号采集只取相位，不取幅值，解决了电压等级不同的系统之间无法进行核相比较的问题。所以，采用本技术方案，可以测试不同电压或相同电压等级设备的相别和相序，实现了异步核相以及跨电压等级进行核相。

在本技术方案中，将相位差信号作为实际的输入比对信号，这样就有效消除了系统频率波动造成的相位偏移现象。

同时，本技术方案中的同步基准相位信号发生器采用市电网络作为信号源，无需单独设置标准方波发生装置，且大大方便了同步基准相位信号发生器的电源获取，简化了同步基准相位信号发生器的电路结构。

此外，智能核相笔的安装结构与验电笔相似，可直接装于验电棒上进行核相，使用、保管均十分方便。

图3中，本技术方案中的同步基准相位方波信号，是通过同步基准信号发生器来获得的。

本同步基准信号发生器至少包括电源输入及电压相位信号采集处理电路、信号过零比较、计数器、脉冲信号调制、无线信号发送模块、发射天线和电源模块。

本同步基准信号发生器实时、自动地采集市电网络的电压相位信号，对其进行信号过零比较，将比较结果方波化(即转换为方波信号)，并采用发射无线信号的形式进行持续不间断的输出，作为同步基准相位方波信号。

市电网络的电压相位信号，是通过RLC有源谐振电路转变为方波形式信号的。

本技术方案中所提到的市电网络，为220V的民用电供电网络。

发送模块采用速度DC-100kHz幅移键控调制，工作频率433.920MHz。可以保证在500米左右发送信号不失真。

由于如何通过RLC有源谐振电路将电压相位信号转变为方波形式的脉动/脉冲信号，在本申请人此前申请的中国实用新型专利CN 200920286267.6“一种用于监测变电站直流系统寄生回路的集成化监测装置”和CN 200920286266.1“一种直流系统接地故障的集成化检测装置”中已有具体原理和接线方式的介绍，且电源输入及电压相位信号采集处理电路、信号过零比较、计数器、脉冲信号调制、无线信号发送模块、发射天线和电源模块均为本领域电子技术中的常用技术手段，能满足其功能的模块电路均有各种市售产品可供选择。本领域的技术人员，在了解和掌握了本发明解决问题的思路后，无需经过创造性的劳动，即可再现本技术方案，达到预期的技术效果，所以，上述模块电路的具体结构和连接方法在此不再叙述。

图4中，本技术方案中，系统电源或待核电源各相的电压相位信号，通过智能核相笔来获得。

在机械结构上，智能核相笔具有一个绝缘的柱状外壳，其柱状外壳前端可滑动地设置有一个导电的尖端/电极，其柱状外壳的后端，通过螺纹连接方式与绝缘杆、验电笔或令克棒的前端固定连接。

在电路结构上，智能核相笔至少包括电压耦合电路、电压限幅及过零点比较电路、同步基准电压相位信号接收模块、同步相位解调电路、相位信号比较电路、相位差寄存电路、相位信号比较/输出电路、驱动电路和报警信号输出电路。

在第一时刻T1，智能核相笔与系统电源某一相电源/线路进行接触，根据电磁感应原理在其尖端/电极上耦合出系统电源某一相的电压相位电磁信号，并在电感线圈上感应出电动势，用RLC谐振原理，将系统相工频电压相位信号转变为电压相位方波信号，并与此刻从同步基准发生器所接收到的第一同步基准相位方波信号进行相位比较，将比较所获得的第一相位差值

送入第一寄存器(图中以相位差ΔΦ1寄存器表示)中储存。

图5中，智能核相笔在第二时刻T2与待核电源的某一相电源/线路接触，根据电磁感应原理在其尖端/电极上耦合出待核电源该相的电压相位电磁信号，并在电感线圈上感应出电动势，用RLC谐振原理，将感应到的电磁信号变换成电压相位方波信号，并与此刻从同步基准发生器所接收到的第二同步基准相位方波信号进行相位比较，将比较所获得的第二相位差值

送入第二寄存器(图中以相位差ΔΦ2寄存器表示)中储存。

图6中，智能核相笔的相位信号比较/输出电路中的微处理器，对第一、第二寄存器中的第一、第二位差值

和

的相位进行比较，得到比较相位差

智能核相笔根据比较相位差的数值范围，确定系统电源某一相与待核电源的某一相之间的电压相位关系是“同相”、“超前”或“滞后”；并输出相应的控制信号。

根据三相电源三相电压之间的矢量/向量关系，可知，若比较相位差

则判断系统电源的第一相和待核电源中第一拟同名相的电压相位相同，即两者之间的电压相位为同相；

若比较相位差

在110°～130°之间，则判断系统电源第一相的电压相位超前于待核电源中第一拟同名相的电压相位；

若比较相位差

在230°～250°之间，则判断系统电源第一相的电压相位滞后于待核电源中第一拟同名相的电压相位；

若出现超出上述范围的其他比较相角差值，作为测试异常处理。

智能核相笔中的驱动模块，根据相位信号比较/输出电路中输出的相应控制信号，驱动语音电路和/或LED发光电路，发出“同相”、“滞后”、“超前”、“无电”、“异常”等声、光信号。

之所以对比较相位差

给出一个范围，是为了考虑测量或比较误差，留有一定的裕度。

上述的内容，已经对本技术方案的“异步核相”方法整体进行了说明，下面再就本方法与测量信号的“幅值”或“频率”无关作进一步的叙述。

如果要顺利进行异步核相，要解决两个关键问题：1、幅值不同的影响；2、频率波动的影响。

关于如何避免“电压信号幅值或电场强度对测量结果的影响”问题，参见说明书附图7及其文字解释，关于如何避免“频率波动的影响对测量结果的影响”问题，参见说明书附图8及其文字解释。

图7中，假定电网频率稳定在50Hz，采用智能核相笔，在第一时刻t1，对参考电源某相进行接触时，通过电磁耦合可采集到其耦合出的相位信号

并变换成方波形式记录；在第二时刻t2，对待核电源某相进行接触，同样记录下相位信号然后，将

换算至t1时刻的相位则两者之间的相位差值

根据此相位差，即可判断两电源间某相的核相结果是“同相”还是“非同相”。

如本图所示，用已经变换好的方波进行比较，可以看到，所取得的电压信号的幅值大小已经不重要了，完全可以通过限幅方式，获得我们所需的方波波形。这也为在不同电压等级的两个电源间进行核相提供了理论依据。

图8中，从理论上讲，由于电网频率围绕着50Hz上下波动，一会儿相位发生正偏移，一会儿相位发生副偏移，如果对于两电源在不同时刻进行异步核相，由于频率的上下波动，其本身也会消除一部分误差，对核相试验结果影响不会很大，如果能将核相时间控制在半小时内，这种相位偏移应该可以接受的。因为通过相位比较法进行的核相试验，极限情况下相位差在30度以下，可认为是同相。

为了验证上述想法是否正确，在实验室内采用市电做试验，对同一220V市电相线，用实验室仪器前后两次搭同一点进行核相，做了数十次以上的试验，结果发现，在两分钟内，核相结果完全正确，输出为同相。可是超过2分钟后，核相结果就不准了。这说明电网频率波动对异步核相的输出结果影响是很大的，必须找到相应的解决办法。

经过对系统频率特性的反复研究发现，还是应该从同网同频这个基本特性上做文章，在选取系统电源作为参考量的同时，再引进一个基准参考量。也就是说，将系统电源、待核电源分别与这个基准参考量的相位进行比对，将频率的变化影响消除掉，然后这两个相位差的信号再比较，就可得出最终的核相结论。

具体的技术方案为：制作一个市电同步基准相位信号发生器，它不断地将市电的相位信号通过无线方式发送出来。智能核相笔在t1时刻，对系统电源相位信号进行采集，经过变换后，和接收到同步基准相位信号进行比较，它们的相位差就是一个固定的值

(不受频率变化的影响)，并放到寄存器中；然后，智能核相笔在在t2时刻，对待核电源相位信号进行采集，同样地也和和同步基准相位信号进行比较，得出另一个固定的相位差值

(同样消除了频率变化的影响)。然后，将这两个相位差值进行比较，就可判断待核电源的相位，相对于系统参考相的相位是“同相”、“滞后”还是“超前”。

同步基准信号的频率因为也随着时间的变化而变化，在t1时刻与系统电源的频率相同，在t2时刻与待核电源的频率相同。因此将系统电源、待核电源的相位信号首先分别与同步基准信号相比较，就消除了时间或者说频率的影响，使异步核相在原理上的可行性得到了论证。

从采用同步基准相位信号发生器的原因可以看到，该同步基准相位发生器采得的相位信号，其相位具体是多少是不重要的，重要的是该信号的频率变化必须与核相装置采集到的信号同步。所以即使在调制解调当中，产生一个相位位移，也是无关紧要的，只要它是一个比较固定的值，那么，就不会影响到最终的比对结论。

所以，从根本上来说，异步核相技术是同步核相技术的进一步延伸。

综上所述，本技术方案首先通过市电网络，获得一个实时的市电同步基准相位方波信号；然后，在第一时刻对系统电源的相位信号进行采集，经过变换后，和此刻所接收到的第一同步基准相位方波信号进行比较，其相位差就是一个固定的值

(不受频率变化的影响)，并放到寄存器中；再次，在第二时刻，对待核电源的相位信号进行采集，同样地也与此刻所接受到的第二同步基准方波相位信号进行比较，得出另一个固定的相位差值

(同样消除了频率变化的影响)；最后，将这两个相位差值进行比较，就可判断待核电源的相位，相对于系统参考相的相位是“同相”、“滞后”还是“超前”。

智能核相笔的具体结构简介如下：

如图9所示，在机械结构上，智能核相笔具有一个绝缘的柱状外壳9-1，其柱状外壳前端可滑动地设置有一个导电的尖端/电极9-3，其柱状外壳的后端，通过螺纹连接杆9-6的螺纹连接方式与绝缘杆、验电笔或令克棒的前端固定连接。

智能核相笔的尖端/电极可滑动地设置在智能核相笔上(图中未示出)，在智能核相笔的尖端/电极下方设置一个压电传感器模块或微动开关(图中未示出)，压电传感器模块或微动开关的一对常开接点串接在智能核相笔电压耦合电路的信号输出端，当所述智能核相笔的尖端/电极与某一相电源/线路电导体接触时，在压力作用下，所述压电传感器模块或微动开关的常开接点接通，电压耦合电路有信号输出。

在智能核相笔柱状外壳的内侧壁，设置有一屏蔽层9-2，因为智能核相笔工作在强电场下，必须有很好的防电磁干扰措施，以最大程度地隔绝或减少周围电磁场对位于智能核相笔内部的电子线路9-5的干扰。

在智能核相笔柱状外壳上设置有电源开关9-4，其壳体上设置有信号灯9-9，用于发出光信号；在在智能核相笔柱状外壳内，设置有内装电路线路板9-5、喇叭9-7和内装电池9-8。

其喇叭用于发出声音信号，其内装电池可以采用9V层积电池，以减小整个装置的体积。

之所以采用“可滑动的尖端/电极”、“在尖端/电极下方设置一压电传感器模块或微动开关”和“当智能核相笔的尖端/电极与导体接触时，在压力作用下压电传感器模块或微动开关的常开接点接通，电压耦合电路有信号输出”的机械结构和电路接线方式，是为了精确定位核相时刻，进一步减轻了电磁干扰对核相正确性的影响。

核相测试过程简介如下：

第一步：智能核相笔的笔头与系统电源相接触，根据电磁感应原理在笔头(电极)上耦合出工频相位电磁信号，并在电感线圈上感应出电动势，用RLC谐振原理，将系统相工频电压相位信号，转变为电压相位方波信号(以下简称为电压相位信号)，并与从同步基准发生器接收到的同步基准方波信号(以下简称为同步基准信号)进行比较，其差值

置于寄存器中。

智能核相笔的开始采样时刻，在笔头(电极)下方采用了一压电传感器，来进行确定。采样周期不宜过长或过短，以工频(50Hz)的100～150个周波为宜。也就是说核相操作人员手持核相棒将智能核相笔接触于导体的时间不应少于2～3秒

第二步：智能核相笔的笔头与待核线路的相接触，将感应到的电磁信号变换成方波信号形式，假设此时系统频率发生变化，频率从f1变化为f2，其差值为Δf，此时从同步基准发生器接收到的同步基准方波信号，其频率变化同样为Δf，将此二者相位信号进行比较，其差值

为一恒定值，已经将频率变化带来的影响消除。

第三步：智能核相笔中的微处理器，对寄存器中的

和

的相位进行比较，得到

(指

)，考虑误差，留有一定的裕度，当

可认为同相，

在(110°～130°)为滞后，

在(230°～250°)为超前，如出现其他相角差，作为异常处理。

驱动模块主要驱动音响和LED发光彩带或彩条。按设计要求可发出“同相”、“滞后”、“超前”、“无电”、“异常”等声光信号。

实施例1：

常规的系统电源和待测电源之间的核相步骤：

1)自检与自核步骤：

由于该智能核相笔采用了异步核相方法，所以自检工作和过程就比较简单。

将同步基准信号发生器插于市电插座上，智能核相笔开启，接收到同步基准信号后，智能核相笔语音提示，报“正常”信，装置自检完成。

然后，对变电站内380V三相电源回路或PT二次三相电压回路进行自核试验，以A相为基准，对A、B、C三相分别进行核相，测得“同相”、“滞后”、“超前”，即可认定该智能核相笔装置正常。

2)正常两电源间核相步骤：

操作人员来到核相地点，将智能核相笔安置于绝缘杆(验电笔或林克棒)上，开启智能核相笔电源，接收到同步基准信号后，智能核相笔语音提示，报“正常”信，提示操作人员可开始核相。

第一步：以系统电源A相为参考相位信号进行核相：

操作人员手提绝缘杆，使得智能核相笔头与系统电源A相测试点接触，停顿2～3秒钟，将其相位信号采集进来，经与此时的同步相位信号比对后，其差值作为系统电源A相的相位信号值，置于寄存器中。

操作人员手提绝缘杆，使得智能核相笔头与待核电源A′相测试点接触，停顿2～3秒钟，将其相位信号采集进来，经与此时的同步相位信号比对后，其差值作为待核电源A′相的相位信号值，将其值与系统电源A相的相位信号值进行相位比较后，根据前述内容中的相位差值的数值范围进行判断，如正确，输出“同相”信号，否则将输出“滞后”或“超前”信号。

然后，操作人员按相同步骤，对待核电源B′相、C′相进行核相，如正确，应分别输出“滞后”及“超前”信号。

第二步：以系统电源B相为参考相位信号进行核相：

操作步骤同第一步，核相输出，如正确，应分别输出“超前”、“同相”、“滞后”信号。

第三步：以系统电源C相为参考相位信号进行核相：

操作步骤同第一步，核相输出，如正确，应分别输出“滞后”、“超前”、“同相”信号。

判断依据：如果A-A′、B-B′、C-C′之间均是“同相”，就证明两电源的相位相同。其它提示，仅作参考。

实施例2：

单电源正常相序的核对步骤：

由于本方法可判断出交流电源各相之间的相位差，故还可以对单个交流电源三相之间的相序/相位进行测量和核对。

操作人员来到核相地点，将智能核相笔安置于绝缘杆(验电笔或林克棒)上，开启智能核相笔电源，接收到同步基准信号后，智能核相笔语音提示，报“正常”信，提示操作人员可开始进行相序核对。

第一步：以电源A相为参考，对电源B相进行相位核对：

操作人员手提绝缘杆，使得智能核相笔头与电源A相测试点接触，停顿2～3秒钟，将其相位信号采集进来，经与同步相位信号比对后，其差值作为系统电源A相的相位信号置于寄存器中。

操作人员手提绝缘杆，使得智能核相笔头与电源B相测试点接触，停顿2～3秒钟，将其相位信号采集进来，经与同步相位信号比对后，其差值作为电源B相的相位信号值，其相位差值与电源A相的相位信号值进行比较后，如正确，输出“滞后”信号。

第二步：以电源A相为参考，对电源C相进行相位核对：

操作步骤同第一步，经比较后，如正确，输出“超前”信号。

判断依据：如A-B、A-C相之间的测量结果输出依次为“滞后”和“超前”信号，则该电源为正相序，如果测量结果输出依次为“超前”和“滞后”信号，则为反相序。

在实施方式和所涉及人工等方面，将本技术方案和原有传统的“核相”相方法比较，可以看到：

1、本技术方案的实施，平均估计每次可以比传统的核相过程至少缩短1小时，减少2～3个人工。

以平均送电负荷1万KVA算，提前送电一小时则多送电一万度，约增加收入3000元，少支出人力成本4000元；那么相对来说，一次核相工作过程即可增加毛利7000元。

若添置新的核相装置需多支出成本50000元，则平均核相7次即可收回报资(Payback)。

以一个变电站一年若需要进行核相工作5次计，则5年中的内部收益率(IRR，Internal Rate of Return)约为200％。

2、应用本技术方案，由于完全采用了智能数字芯片进行逻辑处理和判断，减少了人的主观判断，对操作人员没有过高的素质要求，操作简便安全可靠，培训时间相对传统核相装置更短，为电网安全运行提供间接的支持。

3.对于有一定距离的动力电缆，还可采用异地核相的方法，应用本核相技术中的智能核相装置完全可以满足异地核相的需要。这样既可方便地测试出动力电缆接线是否正确、相序是否接反，有无缺相等等。可以对新建变电站的临时电源在刚开通时就得到确认，保证临时电源相序、相式的正确性。对新建变电站最终的顺利投运有积极意义。

此外，随着智能电网的发展，GIS(GIS为Gas Insulator Switch的缩写，封闭式组合电器)技术的广泛应用，多种相同或不同类型的高压设备通过GIS封装技术连接成一个整体，有时，核对两个电源间的相位相当困难，只能通过同期的办法进行判别。对于某些35KV回路没有同期回路的，一次核相试验项目只能不做，仅通过二次核相作为相位正确的依据。而现在采用本技术方案，可直接从电源的送入端(高压侧)对PT二次侧(最终负载侧)进行核相，从回路的完整性上来保证核相试验的正确。可以做到常规核相仪器无法做到的事情。

故此，本技术方案的实施，突破了传统的核相试验思路，使得电力系统的核相技术，从同步核相跃升到了异步核相的台阶，具有良好的性能价格比和实用性，具有良好的开放性和可扩充性；是一项方法的创新。同频异步核相理论在电力系统生产上的应用，必将推动相关工作的管理创新，为电力行业在变电站不断增加，又必须确保安全的前提下不增加员工，提供了空间。

本发明可广泛用于电力系统的试验和运行管理领域。

Claims (10)

1.一种同频异步核相方法，包括对系统电源和待核电源各对应相的相位信号进行采集、A/D转换、寄存和比较，得到所需的测量结果，其特征是：

A、按照设备安装位置或预定测试顺序，对系统电源确定第一至第三相，对待核电源依次设定对应的第一至第三拟同名相；

B、实时采集市电网络的电压相位信号，对其进行信号过零比较，将比较结果方波化并输出，作为独立的第三方同步基准相位方波信号；

C、在第一时刻T₁，测试系统电源第一相的电压相位信号，并将其转变为方波形式信号；

D、取第一时刻T₁的第三方同步基准相位方波信号为第一同步基准相位方波信号，将系统电源第一相的电压相位方波信号与第一同步基准相位方波信号进行比较，得到第一相位差值

将第一相位差值

置于第一寄存器中；

E、在第二时刻T₂，测试待核电源第一拟同名相的电压相位信号，并将其转变为方波形式信号；

F、取第二时刻T₂的第三方同步基准相位方波信号为第二同步基准相位方波信号，将待核电源第一拟同名相的电压相位方波信号与第二同步基准相位方波信号进行比较，得到第二相位差值将第二相位差值置于第二寄存器中；

G、对第一寄存器中的第一相位差值

和第二寄存器中的第二相位差值

的相位进行比较，得到比较相位差

H、若比较相位差

则判断系统电源的第一相和待核电源中第一拟同名相的电压相位相同，即两者之间的电压相位为同相；

I、若比较相位差在110°～130°之间，则判断系统电源第一相的电压相位超前于待核电源中第一拟同名相的电压相位；

J、若比较相位差在230°～250°之间，则判断系统电源第一相的电压相位滞后于待核电源中第一拟同名相的电压相位；

K、若出现超出上述范围的其他比较相位差值，作为测试异常处理；

L、重复上述第C至J步骤，对系统电源和待核电源其余各对应相分别作相位测试，根据所得到的比较相位差的数值范围，分别得到系统电源各相与待核电源各对应拟同名相之间的电压相位是“同相”、“超前”或“滞后”的对应测试结果；

M、若系统电源各相与所对应待核电源的各拟同名相之间的测试结果均为“同相”，则得出系统电源和待核电源“同相”的结论；

N、通过“借助市电网络产生一个同步基准相位方波信号作为第三方参考量，在不同时刻依次对系统电源各相和待核电源各对应相之间的电压相位信号分别进行采集、A/D转换，将所测得的电压相位信号与当时的第三方参考量进行相位比较，得到电压相位差值，再将系统电源各相和待核电源各对应相之间的电压相位差值进行比较，得到比较相位差”的方法，根据所述系统电源和待核电源对应相之间比较相位差的数值范围，来判断系统电源各相和待核电源的各对应相之间是否属于同相，进而得出系统电源和待核电源是否“同相”的结论。

2.按照权利要求1所述的同频异步核相方法，其特征是所述市电网络、系统电源或待核电源的电压相位信号，通过RLC谐振电路转变为方波形式信号。

3.按照权利要求1所述的同频异步核相方法，其特征是所述系统电源或待核电源各相的电压相位信号，通过电磁感应的方式获得。

4.按照权利要求1所述的同频异步核相方法，其特征是所述的第三方同步基准相位方波信号通过同步基准信号发生器获得；所述的同步基准信号发生器至少包括电源输入及电压相位信号采集处理电路、信号过零比较、计数器、脉冲信号调制、无线信号发送模块、发射天线和电源模块；所述的同步基准信号发生器实时采集市电网络的电压相位信号，对其进行信号过零比较，将比较结果方波化并采用发射无线信号的形式进行持续输出，作为所述的第三方同步基准相位方波信号。

5.按照权利要求1所述的同频异步核相方法，其特征是所述系统电源或待核电源各相的电压相位信号，通过智能核相笔获得；所述的智能核相笔具有一个绝缘的柱状外壳，其柱状外壳前端可滑动地设置有一个导电的尖端/电极，其柱状外壳的后端，通过螺纹连接方式与绝缘杆、验电笔或令克棒的前端固定连接；所述的智能核相笔至少包括电压耦合电路、电压限幅及过零点比较电路、同步基准电压相位信号接收模块、同步相位解调电路、相位信号比较电路、相位差寄存电路、相位信号比较/输出电路、驱动电路和报警信号输出电路。

6.按照权利要求5所述的同频异步核相方法，其特征是所述智能核相笔的尖端/电极可滑动地设置在智能核相笔上，在所述智能核相笔的尖端/电极下方设置一压电传感器模块或微动开关，所述压电传感器模块或微动开关的一对常开接点串接在智能核相笔电压耦合电路的信号输出端，当所述智能核相笔的尖端/电极与某一相电源/线路电导体接触时，在压力作用下，所述压电传感器模块或微动开关的常开接点接通，电压耦合电路有信号输出。

7.按照权利要求5或6所述的同频异步核相方法，其特征是所述的智能核相笔在第一时刻与系统电源某一相电源/线路电导体进行接触，根据电磁感应原理在其尖端/电极上耦合出系统电源某一相的电压相位电磁信号，并在电感线圈上感应出电动势，用RLC谐振原理，将所述的电压相位电磁信号转变为方波信号，并与此刻从同步基准发生器所接收到的第一同步基准相位方波信号进行相位比较，将比较所获得的第一相位差值

送入第一寄存器中储存；

所述的智能核相笔在第二时刻与待核电源的某一相电源/线路电导体接触，根据电磁感应原理在其尖端/电极上耦合出待核电源该相的电压相位电磁信号，并在电感线圈上感应出电动势，用RLC谐振原理，将感应到的电磁信号变换成方波信号，并与此刻从同步基准发生器所接收到的第二同步基准相位方波信号进行相位比较，将比较所获得的第二相位差值

送入第二寄存器中储存；

所述智能核相笔的相位信号比较/输出电路中的微处理器，对第一寄存器中的第一差值

和第二寄存器中的第二位差值

的相位进行比较，得到比较相位差

所述的智能核相笔根据比较相位差

的数值范围，确定系统电源某一相与待核电源的某一相之间的电压相位关系是“同相”、“超前”或“滞后”；并输出相应的控制信号；

所述智能核相笔中的驱动电路，根据相位信号比较/输出电路中输出的相应控制信号，驱动语音电路和/或LED发光电路，发出“同相”、“滞后”、“超前”或“异常”声信号和/或光信号。

8.按照权利要求5所述的同频异步核相方法，其特征是所述智能核相笔尖端/电极与某一相电源/线路电导体接触的时间长度以100～150个工频周波为宜。

9.按照权利要求5所述的同频异步核相方法，其特征是所述智能核相笔尖端/电极与某一相电源/线路电导体接触的时间不少于2秒。

10.按照权利要求1所述的同频异步核相方法，其特征是所述的市电网络为220V的民用电供电网络。

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